(57)【要約】 【課題】  外部電極の絶縁性が向上し、外部回路への接続の信頼性が向上した、薄型の積層型圧電アクチュエータとその製造方法を提供すること。【解決手段】  圧電セラミック層１と内部電極層２が交互に積層され、対向する側面に内部電極層２が露出した積層体を作製する際に、拡大された圧電セラミック層３を特定の箇所に積層することで、側面の一部に突出部を設け、外部電極４を形成した後、突出部の外部電極を除去することで外部電極の電極分断部６ａを形成する。これによって電極を分割し外部電極間の絶縁を確保する。また、積層端面には端子電極５を形成し、接続端子が支持部材としても機能する支持機構を用い、接続端子を端子電極５に圧接して支持することにより、はんだ付けが不要となり、外部回路への接続が簡略となるとともに、接続の信頼性が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電セラミック層と複数の内部電極層とが交互に積層され、前記内部電極層の端面が、積層方向に垂直な、対向する２側面に、交互に露出して形成された積層体と、前記積層体の前記２側面に形成され、前記内部電極層と電気的に接続された第一の外部電極及び第二の外部電極と、前記第一の外部電極及び第二の外部電極と電気的に接続され、前記積層体の対向する積層端面に形成された第一の端子電極及び第二の端子電極と、前記第一の外部電極及び第二の外部電極の積層方向における中央部と、前記第一の端子電極及び第二の端子電極に形成された電極分断部を有することを特徴とする、積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】
複数の圧電セラミック層と複数の内部電極層とが交互に積層され、前記内部電極層の端面が、積層方向に垂直な、対向する２側面に、交互に露出して形成された積層体と、前記積層体の前記２側面に形成され、前記内部電極層と電気的に接続された第一の外部電極及び第二の外部電極と、前記第一の外部電極及び第二の外部電極と電気的に接続され、前記積層体の対向する積層端面に形成された第一の端子電極及び第二の端子電極と、前記第一の外部電極における第一の端子電極に接する部分、及び第二の端子電極に形成された電極分断部を有する積層型圧電素子を、前記第一の端子電極を対向させて、２個接合してなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項３】
対向する前記第一の端子電極の間に、板状の弾性体が介在することを特徴とする、請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記積層体の積層方向の両側から、支持部材の機能を兼備する接続端子を備えた支持機構により挟まれて支持され、前記第一の端子電極及び第二の端子電極が、前記接続端子に電気的に接続され、前記接続端子が外部回路に接続されてなることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項５】
圧電セラミック粉末とバインダと溶媒を含むスラリーを成膜してグリーンシートを作製し、前記グリーンシート表面に、導電性粉末とバインダと溶媒を含むペーストを用いて内部電極層を形成し、前記グリーンシートを積層して積層グリーン体を作製し、前記積層グリーン体を焼成して、積層方向に垂直な対向する２側面に前記内部電極層が交互に露出した積層体を作製した後、前記積層体の前記２側面に、前記内部電極層と電気的に接続された第一の外部電極及び第二の外部電極を形成し、前記積層体の対向する積層端面に、前記第一の外部電極及び第二の外部電極と電気的に接続された、第一の端子電極及び第二の端子電極を形成し、前記第一の外部電極及び第二の外部電極の少なくともいずれか一方に、電極分断部を形成する工程を含む、積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、前記電極分断部は、前記電極分断部が形成される位置に配される前記グリーンシートを、他の位置に配される前記グリーンシートよりも拡大することで、前記積層体の前記２側面の少なくとも一方に突出部を形成し、前記突出部の外部電極を除去することにより、形成することを特徴とする、積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電材料の逆圧電効果によって発生する歪みを機械的な出力として利用する、積層型圧電アクチュエータ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料、特に圧電セラミックの有する圧電現象を利用した圧電アクチュエータは変位を電気的に高速で制御できる利便性から広く活用されているが、さらに実用性を高めるための構成が検討されている。例えば、特許文献１には、圧電セラミック層と内部電極層を交互に積層し、各内部電極層を交互に二つの電位に接続して、当該内部電極間の圧電セラミック層に電界を印加する、積層型圧電アクチュエータが開示され、実用に供されている。
【０００３】
このような積層型圧電アクチュエータの特長は、薄い各セラミック層のそれぞれに、端子電圧が直接印加されるため、高い電界を印加することでき、変位は各セラミック層の総和となるために、低い印加電圧でも大きな変位を得ることが可能なことである。
【０００４】
この構成においては、内部電極層を交互に別の電位と接続するため、各内部電極層は端面が積層体における積層方向に垂直で対向する側面に交互に露出する構造で、側面に形成される外部電極と二つの電位に接続する方法が一般的である。そして、内部電極層と外部電極の接続方法の一例として、特許文献２には、内部電極層の端面をすべて側面に露出させ、一層おきにガラス粉末を電気泳動法によって固着させた後、ガラスを溶融させて絶縁層を形成する方法が開示され、実用に供されている。
【０００５】
以上は主に電界の印加方向の歪みを活用するアクチュエータの構成であるが、円盤状や矩形状の薄い圧電体を二枚貼り合わせ、一方は分極と同方向の電界印加、他方は分極と反対方向の電界を加えることで、厚みと直角方向の伸長と縮小が誘起する大きな屈曲変位を活用するバイモルフ型の圧電アクチュエータも、磁気ヘッドの位置制御、カメラのシャッター駆動、バルブの開閉あるいは音響デバイスの駆動源などに広く活用されている。
【０００６】
これらの構成方法としては、金属板のような弾性体を中心層、即ちシム層にして、両側に圧電セラミックを貼り付ける構造が一般的に採用されているが、用途によっては、シム層を用いずにセラミックのみで構成するバイモルフも多く実用に供されている。特許文献３には、このバイモルフ型について、性能向上を目的として薄い圧電セラミックス層が数層積層された構造が開示されている。
【０００７】
ところが、バイモルフ型のアクチュエータは一般に厚みが薄く、特に音響関係などの分野では、共振周波数の低域化をねらうため、用途によっては、０．２ｍｍ以下の厚みを実現する必要がある。このような場合に、薄い積層体の側面に形成する外部電極間の安定的な絶縁対策が重要な課題になる。
【０００８】
また、電極面にリード線をはんだ付けして外部回路と接続した場合に、発生する振動でリード線が切断されることがある。また、音響関係の用途では、リード線の存在自体が音響特性に悪影響を与えることもあり、リード線を電極面にはんだ付けしない構成が望まれる。しかしながら、特許文献１〜３には、これらの課題に対処する技術が十分には開示されていない。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−１３５３４８号公報
【特許文献２】特開平７−１７６８０２号公報
【特許文献３】特開平８−３３６１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の課題は、厚みの薄い積層型圧電アクチュエータ、特に圧電バイモルフの構造において、側面に配置された内部電極層と電気的に連結するために形成された外部電極が、複数のグループに分別された構造、及びそれらの外部電極間の絶縁を安定的に維持するための構造を有し、端子とリード線をはんだ付けする必要がなく、外部回路への接続の信頼性を向上した、積層型圧電アクチュエータと、その製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題の解決のため、薄型の積層型圧電アクチュエータにおける、外部電極の構造とその形成方法、及び端子電極の構造とその接続方法を検討した結果なされたものである。
【００１２】
即ち、本発明は、複数の圧電材料層と複数の内部電極層とが交互に積層され、前記内部電極層の端面が、積層方向に垂直な、対向する２側面に、交互に露出して形成された積層体と、前記積層体の前記２側面に形成され、前記内部電極層と電気的に接続された第一の外部電極及び第二の外部電極と、前記第一の外部電極及び第二の外部電極と電気的に接続され、前記積層体の対向する積層端面に形成された第一の端子電極及び第二の端子電極と、前記第一の外部電極及び第二の外部電極の積層方向における中央部と、前記第一の端子電極及び第二の端子電極に形成された電極分断部を有することを特徴とする、積層型圧電アクチュエータである。
【００１３】
また、本発明は、対向する前記第一の端子電極の間に、板状の弾性体が介在することを特徴とする、前記の圧電アクチュエータである。
【００１４】
また、本発明は、複数の圧電セラミック層と複数の内部電極層とが交互に積層され、前記内部電極層の端面が、積層方向に垂直な、対向する２側面に、交互に露出して形成された積層体と、前記積層体の前記２側面に形成され、前記内部電極層と電気的に接続された第一の外部電極及び第二の外部電極と、前記第一の外部電極及び第二の外部電極と電気的に接続され、前記積層体の対向する積層端面に形成された第一の端子電極及び第二の端子電極と、前記第一の外部電極における第一の端子電極に接する部分、及び第二の端子電極に形成された電極分断部を有する積層型圧電素子を、前記第一の端子電極を対向させて、２個接合してなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。
【００１５】
また、本発明は、前記積層体の積層方向の両側から、支持部材の機能を兼備する接続端子を備えた支持機構により挟まれて支持され、前記第一の端子電極及び第二の端子電極が、前記接続端子に電気的に接続され、前記接続端子が外部回路に接続されてなることを特徴とする、前記積層型圧電アクチュエータである。
【００１６】
また、本発明は、圧電セラミック粉末とバインダと溶媒を含むスラリーを成膜してグリーンシートを作製し、前記グリーンシート表面に、導電性粉末とバインダと溶媒を含むペーストを用いて内部電極層を形成し、前記グリーンシートを積層して積層グリーン体を作製し、前記積層グリーン体を焼成して、積層方向に垂直な対向する２側面に前記内部電極層が交互に露出した積層体を作製した後、前記積層体の前記２側面に、前記内部電極層と電気的に接続された第一の外部電極及び第二の外部電極を形成し、前記積層体の対向する積層端面に、前記第一の外部電極及び第二の外部電極と電気的に接続された、第一の端子電極及び第二の端子電極を形成し、前記第一の外部電極及び第二の外部電極の少なくともいずれか一方に、電極分断部を形成する工程を含む、積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、前記電極分断部は、前記電極分断部が形成される位置に配される前記グリーンシートを、他の位置に配される前記グリーンシートよりも拡大することで、前記積層体の前記２側面の少なくとも一方に突出部を形成し、前記突出部の外部電極を除去することにより、形成することを特徴とする、積層型圧電アクチュエータの製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の積層型圧電アクチュエータにおいては、予め形成した外部電極及び端子電極に、電極分断部を形成することで、外部電極を極ごとに分割するので、非常に薄い積層体の側面においても、外部電極間の絶縁を確保することができる。しかも、この電極分断部は、予め設けた突出部を、研磨、研削、レーザートリミングなどの方法で比較的簡略に形成できる。これらの加工方法の中では、レーザートリミングが、高精度を確保する上で好適である。
【００１８】
また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、積層端面の両側に形成された平板状の端子電極を用いて、外部回路への接続を行うので、端子電極に接続端子を圧接するなどの方法を用いることが可能となり、リード線のはんだ付けが不要になるので、アクチュエータとしての作動に伴う接点の損傷が極めて少なくなり、長期間の使用における信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態における、第一の例を示す図で、図１（ａ）は、積層体の断面図、図１（ｂ）は外部電極及び端子電極を形成した状態を示す断面図、図１（ｃ）は電極分断部を形成した状態を示す断面図である。図１において、１は圧電セラミック層、２は内部電極層、３は拡大された圧電セラミック層、４は外部電極、５は端子電極、６ａは外部電極の電極分断部、６ｂは端子電極の電極分断部である。
【００２０】
図１に示した例は、図における左右の側面に形成した外部電極のそれぞれについて、積層方向における中央部に電極分断部６ａを形成し、図における上下の積層端面に形成した端子電極のそれぞれについて、電極分断部６ｂを形成してあるので、２個の積層型圧電素子を接合したのと、構造が同等となる。
【００２１】
従って、たとえば、図１における上側の積層型圧電素子には、伸張変形を起こす電界を印加し、図１における下側の積層型圧電素子には、縮小変形を起こす電界を印加することで、全体が図１における上側が凸になる撓み変形を起こすアクチュエータ、つまりバイモルフとして機能する。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態における、第二の例を示す図で、図２（ａ）は積層体の断面図、図２（ｂ）は外部電極及び端子電極を形成した状態を示す断面図、図２（ｃ）は電極分断部を形成した状態を示す断面図、図２（ｄ）はシム層を介在させて２個の積層型圧電素子を接合した断面図である。
【００２３】
図２において、７は圧電セラミック層、８は内部電極層、９は拡大された圧電セラミック層、１０は外部電極、１１は端子電極、１２ａは外部電極の電極分断部、１２ｂは端子電極の電極分断部、１３はシム層である。
【００２４】
この例においても、図２における上側の積層型圧電素子に、伸張変形を起こす電界を印加し、図２における下側の積層型圧電素子に、縮小変形を起こす電界を印加することで、全体が図１における上側が凸になる撓み変形を起こすバイモルフとして機能することは、図１に示した例と同様である。
【００２５】
本発明の積層型圧電アクチュエータの構成において、電極分断部によって分割された端子電極は、端子電極に接する圧電セラミック層に対する電界の印加に寄与する側と、その端子電極と対向する内部電極と同電位になるため、単に電気的な接続を確保するためのみの端子として機能する側に分かれる。従って、積層端面に配される圧電セラミック層の一部は、圧電的に不活性となるが、積層構造のため機能の損失は少なく、例えば片側の圧電セラミック層の積層数を３とした場合、不活性層の存在による変位の損失は５％程度に過ぎないことが確認できた。
【００２６】
端子電極の具体的な構成方法としては、必要に応じて種々のパターンを用いることができる。図３は、端子電極の形成パターンの例を示した図で、図３（ａ）は片側支持用のパターン、図３（ｂ）、図３（ｃ）は中央支持用のパターン、図３（ｄ）、図３（ｅ）は、中央支持用で、かつ不活性部分を極力少なくしたパターンである。
【００２７】
図３において、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは圧電セラミック層、１５ａ、１６ａ、１５ｂ、１６ｂ、１５ｃ、１６ｃ、１５ｄ、１６ｄ、１５ｅ、１６ｅは端子電極である。二つの端子電極の、間の圧電セラミック層が露出している部分は、パターンを形成する際に、最初からこの部分に電極を形成しないことでも、全面に電極を形成してからこの部分のみ除くことでも形成できる。なお、端子電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅに接する部分の圧電セラミック層は、不活性となる。
【００２８】
図４は、前記２種類の、本発明の積層型圧電アクチュエータにおける、端子電極を電源に接続した例を模式的に示した図で、図４（ａ）は、１個の積層型圧電素子を用いた例、図４（ｂ）は２個の積層型圧電素子を用いた例である。このような構成とすることで、図における上下いずれか一方の圧電セラミック層のグループには、分極時と同じ方向の電界が印加され、同時に他方の圧電セラミック層のグループには、分極時と逆の方向の電界が印加される。
【００２９】
これによって、分極と同じ方向の電界が印加された圧電セラミック層のグループは、電界と直交する面方向に縮小の歪みが、逆の方向に電界が印加された圧電セラミック層のグループは、伸長の歪みが発生するために、素子は大きく撓み変形することになる。そして、図４に示したように、交流の電界を印加すると屈曲振動素子として作動する。
【００３０】
次に、本発明の積層型圧電アクチュエータの、支持機構について説明する。図５は、本発明の圧電アクチュエータの支持状態の例を示した図で、図５（ａ）は片側支持の例、図５（ｂ）は中央支持の例である。図５において、１７、２１は積層型圧電アクチュエータ、１８、２２は支持ブラケット、１９、２３は接続端子、２０、２４はリード線である。
【００３１】
図５に示したように、接続端子１９、２３はネジを有し、支持ブラケット１８、２２に設けられたネジ穴に螺合する。これによって、接続端子の先端は、積層型圧電アクチュエータの端子電極（図示せず）に圧接され、電気的な接続が確保される。従って、リード線２０、２４を端子電極にはんだ付けなどで直接接続する必要がなく、振動による接続部の損傷が極めて少なくなる。
【実施例１】
【００３２】
次に、具体的な実施例を挙げ、本発明について、さらに詳しく説明する。まず、図１に示した構造の積層型圧電アクチュエータについて説明する。
【００３３】
チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックの仮焼粉末を、ボールミルで平均粒子径１μ以下まで粉砕し、乾燥した粉末に、バインダとしてポリビニルブチラール、溶媒としてシクロヘキサノンとアセトンの混合物を加えスラリーを調製した。
【００３４】
このスラリーを用い、ドクターブレード法で、厚みが５０μｍのグリーンシートを作製し、銀とパラジウムの粉末を含む導電性ペーストを、所要の形状の内部電極層パターンを印刷して乾燥した。内部電極層パターンが印刷されたグリーンシートを、縦横とも４０ｍｍの正方形と、４０ｍｍ×４１ｍｍの長方形に裁断し、図１（ａ）に示したように中央に長方形のグリーンを２層、上下に正方形のグリーンシートをそれぞれ２層重ねて、１００℃の温度下において加圧装置で圧着した。
【００３５】
この状態では数枚分の素子が一体になっており、更にこの段階で、４０ｍｍの方向を４分割するように、個片の状態に裁断した。続いて大気中、５００℃〜８００℃の温度で２時間〜６時間の間、脱バインダ処理を行った。
【００３６】
引き続き、密閉雰囲気中で１０００℃〜１２００℃の温度で２時間〜４時間の焼成処理を行った。焼成後の積層体の、内部電極層２が露出した側面及び積層端面に、銀を含む導電性ペーストを用いてスクリーン印刷し、５００℃〜７００℃の間で３０分以上熱処理することにより外部電極４と端子電極５を形成した。なお、端子電極は図３（ａ）に示した形状とした。そして、積層体側面の突出部をレーザートリミングで除去し、外部電極に電極分断部６ａを形成した。
【００３７】
次に、このようにして得た積層型圧電アクチュエータの支持について、図５（ａ）を用いて説明する。図５（ａ）に示したように、積層型圧電アクチュエータ１７を、支持ブラケット１８のスリット部に嵌合させ、接続端子１９と端子電極を電気的に接続して制御回路と接続した。
【００３８】
図５（ａ）では、接続端子として、単なるネジを用いているが、支持ブラケット１８に設けられたネジ穴に巻径と巻ピッチを合致させた圧縮コイルバネを用いても、信頼性の高い接続が可能となる。電気的な接続については、同様に板バネを用いたり、導電性の接着剤などの補強手段を用いたりすることも可能であることは勿論である。また、積層型圧電アクチュエータと接続端子を、樹脂成形により一体化して支持機構を構成することも可能である。
【実施例２】
【００３９】
次に、図２示した構造の積層型圧電アクチュエータについて説明する。実施例１と同様にして、グリーンシートを調製し、一方の積層端面に長方形のグリーンシートを配置して、正方形のグリーンシートを３層重ね、１００℃の温度下において加圧装置で圧着した。
【００４０】
その後は、実施例１と同様にして、焼成、外部電極１０、端子電極１１、外部電極の電極分断部１２ａを形成した。この場合、端子電極の電極分断部１２ｂは、片側のみに形成し、他面は全面の電極とした。次に、このようにして得た積層型圧電素子２個について、電極分断部１２ｂが形成されていない端子電極側にエポキシ系の接着剤を塗布し、厚みが０．２ｍｍの黄銅板をシム層として挟み接合した。
【００４１】
次に、実施例１と同様に、図５（ａ）に示した支持ブラケット１８にスリットに嵌合させて、端子の接続を行った。なお、特に具体的な例を示さないが、端子電極の形成パターンを、図３に示したように適宜変更することにより、図５（ｂ）に示した支持方法にも適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態における第一の例を示す図。図１（ａ）は積層体の断面図。図１（ｂ）は外部電極及び端子電極を形成した状態を示す断面図。図１（ｃ）は電極分断部を形成した状態を示す断面図。
【図２】本発明の実施の形態における第二の例を示す図。図２（ａ）は積層体の断面図。図２（ｂ）は外部電極及び端子電極を形成した状態を示す断面図。図２（ｃ）は電極分断部を形成した状態を示す断面図。図２（ｄ）はシム層を介在させて２個の積層型圧電素子を接合した断面図。
【図３】端子電極の形成パターンの例を示した図。図１（ａ）は片側支持用のパターン。図３（ｂ）、図３（ｃ）は中央支持用のパターン。図３（ｄ）、図３（ｅ）は中央支持用でかつ不活性部分を極力少なくしたパターン。
【図４】本発明の積層型圧電アクチュエータにおける端子電極を電源に接続した例を模式的に示した図。図４（ａ）は１個の積層型圧電素子を用いた例。図４（ｂ）は２個の積層型圧電素子を用いた例。
【図５】本発明の積層型圧電アクチュエータの支持状態の例を示した図。図５（ａ）は片側支持の例。図５（ｂ）は中央支持の例。
【符号の説明】
【００４３】
１，７，１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ    圧電セラミック層
２，８    内部電極層
３，９    拡大された圧電セラミック層
４，１０    外部電極
５，１１，１５ａ，１６ａ，１５ｂ，１６ｂ，１５ｃ，１６ｃ，１５ｄ，１６ｄ，１５ｅ，１６ｅ    端子電極
６ａ，１２ａ    （外部電極の）電極分断部
６ｂ，１２ｂ    （端子電極の）電極分断部
１３    シム層
１７，２１    積層型圧電アクチュエータ
１８，２２    支持ブラケット
１９，２３    接続端子
２０，２４    リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005129737.tif 000005
【図４】
2005129737.tif 000006
【図５】
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